北京航空航天大学：飞机总体设计-雷达散射截面控制.ppt

飞行器隐身技术 -雷达散射截面控制航空科学与工程学院21 五月 2024隐身技术12024/5/21 周二可编辑2飞行器隐身技术v关于隐身概念v关于雷达探测的几个基本概念v关于雷达散射截面的定义和基本概念v隐身飞机和隐身技术综述v飞机的散射源和散射机理v雷达散射截面的减缩策略v隐身关键技术v反隐身关键技术概述2024/5/21 周二可编辑3隐身技术的广义范畴v光隐身v热隐身v声隐身v电隐身2024/5/21 周二可编辑4可见光控制-迷彩伪装v降低目标和背景的可见光反差 上下表面的迷彩不一致向下看不见向上看不清2024/5/21 周二可编辑5红外抑制-吸热冷却装置v降低目标和背景的热辐射反差v分形技术I like thisn35微米的喷流热辐射抑制n8-12微米的分形技术2024/5/21 周二可编辑6夜间拍摄的红外图象2024/5/21 周二可编辑7噪声控制v直升机的噪声控制问题v低空低速无人机的噪声控制问题v潜艇的的噪声控制问题螺旋桨泵喷浮筏技术管道消声消声瓦技术外形2024/5/21 周二可编辑8雷达截面控制低可探测技术2024/5/21 周二可编辑9雷达站2024/5/21 周二可编辑10雷达监视屏2024/5/21 周二可编辑11预警机：E-3C2024/5/21 周二可编辑12预警机：E-3C2024/5/21 周二可编辑13E-2C鹰眼2024/5/21 周二可编辑14鹰眼的雷达图2024/5/21 周二可编辑15电子干扰-也是广义上的一种隐身2024/5/21 周二可编辑16电子干扰机：ALQ99E2024/5/21 周二可编辑17 隐身飞机的产生和发展是国际政治格局的变化、飞机作战环境的变化(尤其是雷达和电子战技术的爆炸性发展)及隐身技术的进步等多种因素综合的结果。隐身飞机2024/5/21 周二可编辑18 从二十世纪六十年代开始，由于隐身概念的引入和逐渐发展对传统的航空器的设计、制造和使用均带来了巨大的变革。由于传统的隐身飞机如F-117和B-2过分强调低可见性而忽略了可负担性，从而造成飞机的使用和维护费用过高，降低了飞机的使用效率。从以F-22为代表的第四代和X-45为代表的第五代隐身航空器，通过提高隐身设计技术水平，在隐身与飞机性能、可负担性等其它重要性能之间取得了最佳的折衷。隐身飞机的发展2024/5/21 周二可编辑19隐身性能的重要意义：降低飞机的RCS可以在两个方面降低飞机的敏感性1)可以降低飞机被发现概率、被跟踪概率以及被导弹等成功发射、制导并击中的概率；2)可降低有源干扰装置所需要的干扰机功率及无源干扰机所需要箔条重量、红外干扰弹的重量，从而大大提高飞机的生存力。国外隐身航空器的发展与现状2024/5/21 周二可编辑20 从SR71为代表的第二代飞机开始，隐身就作为关键技术被引入到飞机设计当中。随着飞机发展到第五代，对隐身技术的认识也走过了一个不断深化发展的过程，隐身技术在飞机设计上的应用也有了四次大的飞越。这四次技术飞越的代表性飞机为：SR71黑鸟(第二代飞机)F117、B2(第三代飞机)F-22、F-35(第四代飞机)X-36、X-45、X-47(第五代飞机)，另外还包括捕食鸟这样的隐身技术验证机。2024/5/21 周二可编辑21SR-71F-117B-2F-22F-35X-36捕食鸟捕食鸟X-45AX-47ADark star 第二代第二代第三代第三代第四代第四代第五代第五代初具隐身性能强调隐身万能，牺牲其它性能隐身与飞机性能、可负担性等取得折衷 四次技术飞越2024/5/21 周二可编辑22发展背景：冷战时期；美国的国家战略需要一种侦察机对“华约”国家进行战略战役侦察；对隐身技术的认识还属于初级阶段，飞机的隐身还处于次要地位，主要依靠高空高速来获得高的生存力；前向角域60RCS 1m2以上SR-71飞机2024/5/21 周二可编辑23SR-71飞机2024/5/21 周二可编辑24 F117 洛克希德 2024/5/21 周二可编辑25发展背景：冷战后期；美国的国家战略需要一种可以不依靠其它飞机支援就可以遂行作战任务的隐身飞机，以达到对敌方战略战术目标进行突然精确打击的目标；该战略造成过分突出和迷信隐身性能，使用特殊的飞机外形和全面使用吸波材料，牺牲了飞机的机动性等其它综合性能。隐身技术进一步发展，有工程化的隐身气动设计工具和吸波材料供使用；主要针对雷达波隐身，对红外和可见光隐身的考虑只占很小的比例。F117 洛克希德 2024/5/21 周二可编辑26B22024/5/21 周二可编辑27B2全尺寸模型外场RCS测试2024/5/21 周二可编辑28B-2飞机专用恒温机库2024/5/21 周二可编辑29F-22飞机洛克希德马丁2024/5/21 周二可编辑30发展背景：冷战后期，美国成为世界唯一超级大国，对国际事物进行“积极干涉”；美国的国家战略需要一种可以在21世纪前三十年具有绝对制空优势的先进隐身战斗机，可以不依靠其它飞机支援遂行作战任务，以达到对敌方战略战术目标进行突然精确打击的目标和取得空中优势；武器装载性能 F-22飞机洛克希德马丁2024/5/21 周二可编辑31发展背景：与F-22飞机进行“高低搭配”，更加突出“低成本”的概念；不寻求隐身性能的突破，而是把重点放在减少生产和维护费用；主要技术要求放在进一步降低隐身维修需求上，使每次出动所需要的维修量不到0.5工时。F-35飞机洛克希德马丁2024/5/21 周二可编辑32发展背景：冷战结束，美国一强独大，为了适应其干涉世界事务的需求，并且要满足“非接触、零伤亡”局部战争的需求，需要一种飞行速度更快、更加隐身、制造工艺更加便利、研制和维护成本更低、储存和部署更加容易的第五代飞机(无人作战飞机UCAV)；为了验证隐身设计的新概念，一架体现特殊的设计、研制和生产的验证机必不可少。捕食鸟Bird of Prey波音公司2024/5/21 周二可编辑33X-45波音公司2024/5/21 周二可编辑34发展背景：美国正式提出了可以向世界任何地方发动“先发制人”打击的国家战略，同时还要满足“非接触、零伤亡”的需求，需要一种飞行速度更快、更加隐身、制造工艺更加便利、研制和维护成本更低、储存和部署更加容易的第五代飞机(无人作战飞机UCAV)；强调全面的隐身概念，在第四代飞机基本解决雷达隐身问题之后，红外隐身和可见光隐身在第五代飞机的设计上被放在更重要的位置。X-45波音公司2024/5/21 周二可编辑35X-45波音公司2024/5/21 周二可编辑36发展背景：麦道公司与NASA合作研究的按照1:3.57缩比的隐身战斗机验证机；目的在于验证无尾战斗机在提高飞机敏捷性上的优势及其稳定性、操纵性的满足程度；项目开始于1994年2月。X-36美国麦道公司2024/5/21 周二可编辑37X-47 Pegasus“飞马”1:1模型在 灰丘 RCS测试场2024/5/21 周二可编辑38发展背景：X-47由Northrop Grumman公司和 美 国 国 防 高 级 研 究 计 划 局（DARPA）共同研制，无人驾驶飞机做成箭头形状，飞机长度为8.37米，翼展为8.34米；目的在于验证无尾战斗机在提高飞机敏捷性上的优势及其稳定性、操纵性的满足程度，展示Northrop Grumman公司在前沿高科技上的技术水平以及满足军方对无人作战飞机“可支付性”的需求；X-47已经通过首批试飞，虽然带有实验性质，但它可以为适用于美国空军和海军的无人驾驶飞机打下基础；项目开始于2000年7月。X-47 Pegasus“飞马”2024/5/21 周二可编辑39 翼展69英尺，机长15英尺，机高15英尺，发动机William Rolls Fj44，最大升限45000英尺，亚音速，造价1000万美元。“Dark star”无人侦察机洛克希德马丁及波音公司2024/5/21 周二可编辑40 翼展2.4米，机长2.4米，空重60kg，最大飞行距离150Km，亚音速0.5马赫。PETIT隐身验证机法国2024/5/21 周二可编辑41隐身无人机2024/5/21 周二可编辑422024/5/21 周二可编辑43YRAH-66 “科曼奇”验证机隐身型攻击侦察直升机2024/5/21 周二可编辑44测试在F-22的整个隐身计划过程中，共进行了超过10000小时的详细部件RCS测试以及超过4000小时的全尺寸飞机部件RCS测试还有在1997年建成的全尺寸整机紧缩场进行的整机RCS测试工作，这个工作量是气动力风洞试验量的三分之一，与飞行控制系统测试工作量相当。要完成这么大的工作量单必须要有先进的研制手段。10000小时的详细部件RCS测试4000小时的全尺寸飞机部件RCS测试美国国防部F-22飞机研制总结报告关于测试的统计数据2024/5/21 周二可编辑45 1991年秋天就已经在洛克希德马丁公司开始使用Helendale测试设备进行雷达截面(RCS)测量。本计划中所有模型使用的都是全尺寸模型，从以往研发计划中得到的经验教训是将缩比模型测试中得到测试结果按比例进行放大时会遇到较大的问题。本测试计划初期进行的是搭建并测试一个全尺寸进气道模型、接着进行的是全尺寸双发动机尾喷管模型，雷达/雷达罩模型、机翼模型，一个大的带有舱门平板模型、口盖板以及天线测试，以及大量的其它组件的测试。通过使用全尺寸飞机部件模型进行测试极大地降低了计划过程中的风险。EMD测试计划在搭建及测试整个全尺寸EMD模型时达到了顶点，这个模型高度逼真地模拟了真实的F-22飞机。这个模型包括了所有重要特征信号驱动器(源)并且包括了大量的生产部件。这个模型包括了一部雷达以及雷达罩；天线组件；进气道以及发动机前端面以及前两级、高度详细的发动机尾喷口模型包括涡轮以及涡轮排气机匣，推力增强装置部分以及能够收拢及打开的尾喷口、产品的边缘、装拆及飞行开动活门、大气数据系统，挡板、密封、导弹发射探测器窗口、挂架拆装口盖、控制面远程控制机构以及发动机组件和各种照明灯等。2024/5/21 周二可编辑46F-22“猛禽”全尺寸测试模型 F-22“猛禽”全尺寸测试模型在紧缩场内场进行测量-1 F-22“猛禽”全尺寸测试模型在紧缩场内场进行测量-2 2024/5/21 周二可编辑47洛克希德HELENDALE测试场介绍 洛克希德马丁公司Helendale航空电子设备测试场地处美国加利福尼亚州西南部的Mojave沙漠，位于Helendale以北约5英里，在Mojave河西侧，占地约9平方英里(超过5700英亩)。洛克希德公司Helendale测试场的开发过程可划分成两个阶段：第一阶段开始于1982年，耗资约1500万2000万美元。第一期工程于1983年10月竣工并开始投入使用，包括沿着试验航向距离测试综合楼和收发天线阵列2500英尺和5000英尺的相关目标区域的建设。从北端看Helendale测试场 2024/5/21 周二可编辑48洛克希德HELENDALE测试场介绍Helendale测试场的第二阶段扩建工程在，始于1985年并在当年底完成。该项计划主要完成了对20号区域的扩建。这个扩建工程将测试距离增加到8200英尺，新增设了一个目标测试位置并在测试场的末端建筑了一个由结实混凝土构筑的建筑“上层暗室”。Helendale RCS测试场性能测试场可以进行从120MHz到18GHz的全部频率，以及35GHz点频四个不同极化方式(HH、VV、HV、VH)的测试。2024/5/21 周二可编辑49雷达方程2024/5/21 周二可编辑50雷达散射截面和探测距离LRCS(m2)L(km)10 100 5 84 1 56 0.1 32 0.01 18 2024/5/21 周二可编辑51常用雷达波段频段名称 频率范围 中心频率 波长 UHF 3001000 MHz 500 MHz 60cm L 10002000 MHz 1500 MHz 20cm S 20004000 MHz 3000 MHz 10cm C 40008000 MHz 6000 MHz 5cm X 800012500MHz 10000MHz 3cm Ku 12.518 GHz 15 GHz 2cm K 1826.5GHz 25 GHz 1.2cm Ka 26.540 GHz 37.5 GHz 0.8cm2024/5/21 周二可编辑52常用雷达波段统计雷达种类UHFLSCXKu Ka 合计(%)陆基对空警戒 30 54.8 84.8陆基火控制导 33.9 16.1 30.6 80.6机载预警33.3 66.7 100机载火控 82.1 14.3 3.6 1002024/5/21 周二可编辑53极化的概念v极化的物理现象：v水平极化-电磁波的电场方向垂直于入射面v垂直极化-电磁波的电场方向处于入射面内 2024/5/21 周二可编辑54雷达散射截面的定义 2024/5/21 周二可编辑55雷达散射截面的定义对于二维情形（无限长柱体），雷达散射截面（量纲是面积）变为散射宽度（量纲是长度）：2024/5/21 周二可编辑56雷达散射截面曲线图2024/5/21 周二可编辑57雷达散射截面的量纲 (dBsm）m2 dBsm 1000 30 100 20 10 10 1 0 0.1 -10 0.01 -202024/5/21 周二可编辑58雷达散射截面和目标体积2024/5/21 周二可编辑59雷达散射截面的实例B-52 -150平方米（头向）B-2 -0.03平方米（头向）F-16 -3平方米（头向）幻影2000 -9平方米（头向）F-117 -0.02平方米（头向）F-22 -0.05平方米（头向）序号 名 称 长度 直径 横向 头向 (mm)(mm)RCS(dBsm)RCS(dBsm)1 蓝翅蝗虫 20 4 -30 -40 2 工 蜂 13 6 -40 -45 3 绿头苍蝇 9 3 -46 -50 4 成年鸭子 12磅 -12dBsm2024/5/21 周二可编辑60Su-27采取隐身措施后，Su-27可提前48秒攻击Su-27采取隐身措施前，F-16可提前14.3秒攻击Su-27F-16Su-27F-16隐身的作用2024/5/21 周二可编辑61隐身的作用SAM导弹的包线F-22携带激光制导炸弹(JDAM)的最大攻击距离F-15携带激光制导炸弹(JDAM)的最大攻击距离安全区安全区安全区无法逃生区可躲避区发射和脱离区2024/5/21 周二可编辑62v与自然目标相比相对小v大水鸟的RCS为 0.05平方米vF-117 的RCS为 0.02平方米（头向）v回波信号和噪声相比小于最小信噪比v合理的突防战术应用v相对小v少带干扰弹隐身的相对意义2024/5/21 周二可编辑63典型金属几何体及电磁散射量级v方三面角反射器：散射最强 三维宽角v直两面角反射器：散射次强 二维宽角v平板：散射第三强 窄角v圆柱：散射第四强 二维宽角v球：散射第五强 三维宽角v直边缘：散射第六强 二维宽角v直边缘：散射第七强 三维宽角v尖点和表面波：散射最弱 宽角2024/5/21 周二可编辑64方三面角反射器三维宽角强散射aaa2024/5/21 周二可编辑65直两面角反射起器二维宽角强散射aa2024/5/21 周二可编辑66平板-对应于翼面等一维窄角强散射aa2024/5/21 周二可编辑67柱面-对应于机身、弹体等二维宽角强散射ba2024/5/21 周二可编辑68球-对应于机体的任何双弯曲部位三维宽角强散射a2024/5/21 周二可编辑69直棱边-对应于机翼后缘等边缘二维宽角散射a2024/5/21 周二可编辑70表面波-对应于多种表面和棱边入射波散射波入射波散射波爬行波行波2024/5/21 周二可编辑71雷达散射截面计算v高频分析法v精确分析法 a2024/5/21 周二可编辑72矩量法的应用研究1.基函数和目标建摸三角面元可适应与任意复杂外形目标的网格划分2024/5/21 周二可编辑732.算法稳定性研究*按照NASA在93年公开的研究报告编制的三角面元算法是不稳定的，即随着网格的细化，曲线出现不规则的跳跃。2024/5/21 周二可编辑743.矩量法和高频混合算法研究矩量和高频混合算法：2024/5/21 周二可编辑75有限时域差分法的应用研究1.三维目标的网格划分技术2024/5/21 周二可编辑762.算法的若干改进2024/5/21 周二可编辑77RCS减缩策略散射源 散射强度 减缩一个 减缩两个 减缩全部 减缩1/3 减缩2/3 减缩3/3 减1.8dB 减4.8dB 减 dB 座舱雷达舱进气道探测距离 100km 90km 76km 0km2024/5/21 周二可编辑78RCS减缩策略散射源 散射强度 减缩弱源 减缩强源 减1/10 减9/10 减0.5dB 减10dB 强散射源9m2 弱散射源1m2可探测距离 100km 97.4km 56km2024/5/21 周二可编辑79飞机的散射源和散射机理v头向：座舱、雷达舱、进气道-腔体散射v正侧向：机身、立尾-镜面反射 机翼与机身、立尾与平尾-角反射v后向：喷口-腔体散射v斜侧向：机翼和平尾前后缘-边缘绕射v其它：外挂物散射、缝隙绕射、尖点绕射、表面波绕射2024/5/21 周二可编辑80隐身飞机-机身用具有弱散射特性的外形代替具有强散射特性的外形2024/5/21 周二可编辑81隐身飞机-机翼v减小或消除缝隙v机翼活动面和翼梢处整形v前后缘采用吸波结构v统筹设计前后缘的方向2024/5/21 周二可编辑82隐身飞机-外挂物v全埋入机体内（也可以带外挂）2024/5/21 周二可编辑83隐身飞机-尾翼v无立尾 X-36、Tier3、B-2（飞翼）斜置立尾 F-117A、F-22A、SR-71 2024/5/21 周二可编辑84隐身飞机-雷达舱v频率选择表面雷达罩v雷达天线（不工作时）斜置v雷达天线后使用吸波材料低通滤波器高通滤波器多层结构更好！2024/5/21 周二可编辑85隐身飞机-座舱v整形v光电设计 水泡形可见光电磁波镀金属膜2024/5/21 周二可编辑86隐身飞机-进气道的口面v遮挡v双斜切 F-22Av锯齿型 B-2v吸波网口面 F-117A来流2024/5/21 周二可编辑87隐身飞机-进气道vS弯v双通道v吸波型进气道 吸波材料进气道中加整流吸波格栅电磁波通道2024/5/21 周二可编辑88隐身飞机-缝隙和边缘统一安排v散射波峰集中在空 间的少数几个方向上v边缘和缝隙在同一 走向上的随机分布（包括长短和位置），产生了相互抵消的效应2024/5/21 周二可编辑89吸波材料v吸波结构v吸波涂料0.25*波长损耗、对消透波蒙皮吸波体2024/5/21 周二可编辑90雷达散射截面测试v室外测试v室内测试2024/5/21 周二可编辑91反隐身技术概述（1）v采用双/多基地雷达（雷达组网）反：外形隐身的单站特性2024/5/21 周二可编辑92反隐身技术概述（2）v先进的米波雷达反：外形隐身的高频特性2024/5/21 周二可编辑93反隐身技术概述（3）v超宽带雷达频率选择表面反：频率选择表面、吸波网格、吸波 涂料等的窄带特性2024/5/21 周二可编辑94 谢 谢！